篇一

　　生物柴油混合燃料对车用高压共轨柴油机微粒排放粒度分布的影响

　　摘 要：试验研究了不同添加比例的生物柴油(BTL)混合燃料对高压共轨柴油机微粒(PM)排放的影响，分析了BTL/柴油混合燃料PM粒度分布特征，揭示了BTL添加比例对柴油机PM排放粒度分布的影响规律。结果表明：高压共轨柴油机PM排放粒径绝大部分在300nm以下，BTL燃料PM粒度分布呈双峰结构，以小粒径核态PM为主，占PM总数的60%以上，随BTL添加比例增加，核态PM数量增多，50nm以上的积聚态PM减少且峰值区域向小粒径方向偏移;石化柴油燃料PM粒度分布呈单峰结构，峰值区域在50～100nm之间，积聚态PM居多。负荷对PM粒度分布影响较大，随着负荷增加核态PM所占比例逐渐减小。

　　关键词：高压共轨柴油机;生物柴油(BTL);微粒(PM)排放;粒度分布

　　中图分类号：U473.1文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.01.007

　　Effect of Biodiesel Blended Fuel on Particulate Matter Size Distribution in Common-Rail Diesel Engine Emission

　　Lai Chunjie1，Sun Wanchen1，Li Guoliang1， Tan Manzhi1， Chen Shibao1，Zou Mingsen2

　　(1. Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation，Jilin University State， Changchun，Jilin 130025;

　　2. Department of Automobile Engineering，Jiangsu Traffic Technician College，Zhenjiang，J iangsu 212006)

　　Abstract:The effect of biomass to liquids (BTL) biodiesel blended fuel with different component proportions on the particulate matter (PM) emission from a common-rail diesel engine was investigated . Moreover，the features of particle size distribution were analyzed and the effect of BTL fuel fraction on the particle size distribution was obtained. The results show that the particle size is mostly under 300nm and a bimodal distribution of the particle size is observed. The amount of small nuclear mode PM reaches 60%. With increasing BTL fuel fraction the total number of PM grows, the amount of accumulation mode PM above 50nm decreases and the peak regions appear at smaller particle size. For conventional diesel fuel，the particle size forms a unimodal distribution, the peak regions are between 50～100nm and the PM are mostly in accumulation mode. The engine load also has a great impact on particle size distribution. The percentage of nuclear mode PM decreases with the increase of engine load.

　　Key words:common-rail diesel engine;biodiesel;particulate matter(PM) emission;particle size distribution

　　柴油机PM排放成分极为复杂，含有多种致癌物质，对人类的健康和生存环境危害极大，如何降低柴油机的PM排放已经成为内燃机行业的一个关键性技术问题。高压共轨直喷技术(CRDI)最高喷射压力可达1.8105kPa，燃油雾化充分，PM的质量排放量得到控制，但PM值将趋于超细化。未来的排放法规不仅对PM的质量排放量进行了限制还对PM的粒数加以限制，因此柴油机PM排放的粒度分布日益受到国内外研究者的普遍关注[1]。

　　一般来说，根据PM粒径大小及生成机理将超细PM分为核态、积聚态两种。在PM成核阶段，以硫化物和燃烧过程中形成的固态碳粒为核心，挥发性有机物开始凝聚、吸附，形成粒径小于50nm的核态PM;在PM凝聚阶段，挥发性有机物进一步凝聚、吸附，核态PM相互堆积形成粒径在50～1000nm的积聚态PM[2-4]。

　　PM粒度分布与燃料特性密切相关，不同理化特性的燃料将直接影响PM的粒度分布[5-8]。本文利用美国TSI公司的3090 EEPSTM发动机排气粒径谱仪，对高压共轨、增压中冷柴油机稳态工况下PM粒度分布规律进行了试验研究，分析了不同BTL添加比例混合燃料对高压共轨柴油机稳态工况PM排放粒度分布的影响规律，并与石化柴油进行了对比，旨在为BTL的应用及其PM排放控制提供技术支持。

　　1 试验设备及方法

　　1.1 试验发动机

　　本研究采用高压共轨、增压中冷4缸直喷式车用柴油机进行，排放指标达到国Ⅲ水平，发动机的主要技术参数见表1。

　　1.2 试验燃料

　　本研究使用的基础燃料为方圆样品油中心提供的标准欧IV 0#低硫柴油，BTL是以菜籽油甲酯为主的调和产品。以0#柴油为基础，添加不同比例的BTL得到具有不同理化特性的燃料进行试验研究。本文将BTL添加体积分数为0%、10%、30%、60%和100%的混合燃料简称为B0、B10、B30、B60和B100。表2为试验燃料的主要理化特性指标。

　　1.3 试验主要仪器设备

　　1.3.1 发动机测试系统

　　试验测控系统由高压共轨柴油机、DS-9100燃烧分析仪、Horiba排气分析仪、AVL439消光烟度计、3090 EEPS PM粒径谱仪等组成。图1为测试系统结构简图。PM粒度分布测量采用美国TSI公司生产的基于电迁移性测量技术的3090 EEPSTM发动机排气粒径仪进行，粒径测量范围为5.6～560nm。

　　1.3.2 PM分布测试系统

　　为满足试验研究的需要，自行设计了排气PM二级稀释采样系统对发动机排气进行分流稀释，可满足粒度仪采样条件及测量要求。图2为PM粒度分布测试系统简图。第1级稀释管道中，通过调节阀门开度，控制排气量，将稀释比控制在20左右。第2级稀释采用全流稀释，通过调节二级管道的空气量控制第2级稀释比，试验中通过测量排气管及稀释风洞的CO2浓度确定风洞稀释比。经过试验测量，总稀释比控制在100以上均可满足粒度仪的测量要求。PM粒度分布及PM粒数均通过TSI3090EEPSTM排气粒径仪测量，并可实现风洞稀释比的同步测量。

　　1.4试验方案及试验方法

　　为揭示燃料特性本身对于发动机燃烧和排放的影响规律，试验中对于不同燃料的试验工况均采用等空燃比进行调整。发动机转速为1600r/min，空燃比分别为29、33、45.5、63和109，分别对应发动机75%、60%、40%、20%和10%负荷。为保证试验结果的准确性，更换不同燃料均在发动机运行半小时后进行试验，每次测量之前将排气引到稀释风洞中一段时间，保证稀释风洞达到饱和状态。

　　2 试验结果及分析

　　2.1 石化柴油、BTL PM粒度分布对比

　　图3和图4分别为发动机转速为1600r/min、不同负荷工况下欧IV石化柴油和纯BTL PM粒度分布对比。从图3中可知，对于石化柴油，PM粒数分布曲线呈单峰结构，峰值区域在0～100nm之间，以积聚态PM为主，PM体积浓度、表面积浓度亦呈单峰分布，峰值区域在50～200nm之间。与石化柴油相比，BTL燃料的PM粒径明显减小，粒数分布呈双峰结构，核态PM峰值区域在5～20nm之间，积聚态PM峰值区域在30～100nm之间，核态PM峰值远高于积聚态PM。PM体积浓度、表面积浓度分布呈单峰结构，峰值区域亦在50～200nm之间。

　　造成两种燃料PM粒度分布规律存在明显差异的主要原因是：生物柴油具有较高的含氧量和十六烷值，正构烷烃较少，易于裂解生成较多的碳核及挥发性有机物，而来自燃料的未燃HC的挥发性较差更容易达到饱和状态并凝结成大量核态PM。较高的十六烷值导致燃烧的滞燃期缩短，预混合燃烧量减少，在前期燃烧过程中生成较多的核态PM。同时，较高的含氧量使缸内后期扩散燃烧过程得到改善，抑制了核态PM向积聚态的转化，因此BTL燃料的核态PM峰值远高于积聚态峰值。

　　对比不同负荷工况下PM粒度分布特征可以看出，对于石化柴油随负荷的增加PM数量浓度逐渐增加，超过60%负荷增加更加明显，并且小粒径的核态所占比例逐渐减小。主要原因是小负荷工况时，缸内燃烧条件不好，滞燃期长，空燃比过大，燃烧温度低，未燃HC增多，生成的核态PM不容易聚集，导致小负荷工况小粒径的核态PM增多。大负荷工况空燃比小，缸内易产生局部过浓区域，使PM生成迅速增多，峰值急剧上升，PM中可溶有机成分减少，以积聚态PM为主，PM体积浓度、表面积浓度分布曲线与粒数浓度分布曲线变化趋势基本一致。

　　对于生物柴油，核态PM粒数浓度峰值在中等负荷达到最大值，随负荷增加峰值急剧下降且逐渐向小粒径方向偏移;积聚态PM峰值随负荷增大而上升并逐渐向大粒径方向移动。原因是在小负荷工况下，缸内未燃HC较多，使核态PM难于凝聚为积聚态，因此10%负荷核态峰值较低、积聚态峰值较高。在20%～40%负荷区域内，缸内燃烧温度上升、空燃比下降，燃烧得到改善，未燃HC减少，核态PM向积聚态PM转变的趋势减小，因此核态PM峰值上升明显，同时，积聚态峰值稍有上升。在60%～75%大负荷区域内，空燃比进一步减小，缸内局部缺氧区域严重，燃烧温度上升，生成核态PM的数量增多并迅速积聚成积聚态PM[8-9],导致核态PM迅速减少，峰值区域向小粒径偏移,积聚态PM增加且峰值区域向大粒径偏移。

　　2.2 不同添加比例BTL混合燃料PM粒度分布

　　图5为不同添加比例BTL混合燃料在不同负荷工况下PM粒度分布对比。可见在中、小负荷工况下，燃料PM粒度分布逐渐由石化柴油积聚态大粒径单峰结构向BTL燃料的双峰结构过渡;当BTL添加比例超过30%，核态PM数量增多,占PM总数的40%以上，50nm以上的积聚态PM减少且峰值区域向小粒径方向偏移。与石化柴油相比，添加比例小于60%的混合燃料，PM总数略有下降。在大负荷工况下，不同添加比例的BTL混合燃料粒数浓度分布均为单峰结构，峰值区域在50～200nm之间，以积聚态PM为主，PM总数下降。在所有工况下，PM体积浓度和表面积浓度分布均呈单峰结构，峰值区域在50～200nm之间，添加比例超过60%后迅速下降。

　　研究发现PM粒度分布受燃料特性的影响较大。在小负荷工况下，BTL燃料粒数浓度分布呈双峰结构且核态峰值远高于积聚态峰值，石化柴油为积聚态单峰结构且峰值区域粒径较BTL大。因此，添加比例较小时，核态PM浓度和积聚态PM浓度变化不明显，添加比例超过60%，积聚态PM浓度明显减小且峰值区域向小粒径方向移动，核态PM浓度上升幅度较大。在大负荷工况下，BTL燃料的核态PM更多地向积聚态PM转变，核态PM浓度迅速降低，积聚态PM浓度上升，石化柴油积聚态PM浓度在大负荷工况下上升更为明显。因此，添加比较小时粒数排放粒度分布与石化柴油基本一致，添加比例超过60%后，BTL燃料的高含氧量使缸内燃烧得到改善，大粒径积聚态粒数浓度迅速下降。

　　3 结论

　　(1)高压共轨柴油机PM排放粒径绝大部分在300nm以下;BTL燃料PM排放粒度分布呈双峰结构，以小粒径核态PM为主，占PM总数的60%以上，峰值区域在5～20nm之间，积聚态峰值区域在30～100nm之间;石化柴油PM排放粒度分布呈单峰结构，以积聚态PM居多，占PM总数的55%左右，峰值区域在50～100nm之间。

　　(2)不同负荷工况下的PM粒度分布规律有所不同，BTL燃料核态PM粒数浓度峰值在中等负荷达到最大值，随负荷增加峰值急剧下降且逐渐向小粒径方向偏移;积聚态PM粒数浓度峰值随负荷增大而上升并逐渐向大粒径方向移动。对于石化柴油随负荷的增加PM数量浓度逐渐增加，超过60%后其负荷增加更加明显且小粒径核态PM所占比例逐渐减小。

　　(3)对于BTL混合燃料，在中、小负荷工况下，随着BTL添加比例增加，燃料PM粒度分布逐渐由单峰结构向双峰结构过渡;核态PM数量增多，50nm以上的积聚态PM减少且峰值区域向小粒径方向偏移。在大负荷工况下，各添加比燃料粒数浓度分布均为单峰结构，峰值区域在50～70nm之间，以积聚态PM为主。

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　　篇二

　　燃油喷射参数对高压共轨柴油机性能的影响

　　【摘 要】目前，高压共轨喷油系统在直喷柴油机中使用非常普遍。其不但能够单独控制喷油压力的同时，还能够实现高精度喷油量，进而按照发动机以及车辆的运行状况对燃油喷射进行调整，最终为实现高效，干净以及低噪音的燃烧过程提供控制指标参数，其已经逐步成为柴油机燃油喷射系统发展的最新方向。本文使用GT-POWER软件构建高压共轨柴油机的整机模型，同时对计算值和试验值进行对比，以其保证整机模型拥有充分的可靠性。通过模拟分析，具体分析喷油压力，预喷油量以及其他方面对柴油机性能的影响。本文通过模拟研究后发现，加大预喷油量可以有利于减少二氧化氮的排放量，然而预喷油量最好不能太大否则可能会影响发动机的性能。另外适度的加大喷油压力有利于提升发动机的性能以及经济性，同时减少Soot的排放量，然而二氧化氮的排放有不断递增的态势。当然这些因素并不是单独存在的，而是相互作用，相互配合影响着柴油发动机的不同性能，所以务必要强化他们之间的协同配合，提升高压共轨柴油机的总体性能。

　　【关键词】燃油喷射参数;高压共轨;性能

　　0.引言

　　目前，高压共轨喷油系统在直喷柴油机中使用非常普遍。其不但能够单独控制喷油压力的同时，还能够实现高精度喷油量，进而按照发动机以及车辆的运行状况对燃油喷射进行调整，最终为实现高效，干净以及低噪音的燃烧过程提供控制指标参数，其已经逐步成为柴油机燃油喷射系统发展的最新方向。

　　1.模拟模型

　　1.1模拟模型的构建

　　具体构建模型涵盖了进气歧管，气缸，以及喷油器等等。在GT-POWER软件确立的模型。其主要模块是初始环境变量模块，依次标志着增压中冷后的进气状态，以及涡轮前的排气状态，其压力，温度等不同参数的设立来自于发动机台架试验数据，保障了模型的准确性。

　　1.2模拟模型的检验

　　为了能够更好的检验模型的科学可靠性，把发动机外特点下的计算值以及试验值进行了对比。发动机主要的性能指标的计算值以及试验值的误差都在10%之内，同时变化结果非常接近。尽管Soot排放的计算值同试验值存在一定程度的差异，但是变化结果也差不多相同。因此，通过GT-POWER软件模拟模型能够清楚的表明原发动机的动力性，而且还可以用在定性研究排放性能[1]。

　　1.3参数的选择以及原始条件的设立

　　对喷油压力以及喷油定时的柔性控制和不同次数的喷射都是高压共轨燃油喷射系统的独有的，同时在一定程度上制约了整机性能。在电控高压共轨系统中，预喷正时一般也是按照主喷正时融合主预间隔来具体明确的。所以在喷射方案为每循环两次喷射的基础之上，本文从模拟样机电喷控制策略模拟研究了喷油压力，以及预喷油量等对于整机性能的影响程度。

　　2.模拟结果研究

　　2.1喷油压力

　　在其他参数没有变化的情况下，提升喷油压力。从模拟结果来看，喷油压力的不断递增，可靠扭矩以及二氧化氮在趋于增大，但是可靠燃油消耗率却在降低。从具体原因来看，这是由于提升了喷油压力可以提升燃油雾化质量，同时推动油气混合，进而改革了燃烧过程。喷油压力提升之后，预混合燃烧的比重也在不断递增，燃烧重心也在趋于提前，整个燃烧过程也在趋于简短，这时发动机的热效率得到提升，所以可靠扭矩得到递增，燃油消耗率降低。然而喷油压力提升之后，在滞燃期内喷入气缸的燃油和组成的混合气都可能在一定程度上得到提升，让气缸内最大爆发压力可能取得一定程度上提升，这些种种因素的影响都会使得二氧化氮的排放量递增。另外如果喷油压力过高的话，其不但会使喷油泵驱动扭矩以及功率递增，同时还可能对于燃油喷射系统的结构强度和密封性提出非常严格的需求[2]。

　　2.2预喷油量

　　在其他参数不变化的情况下，依次设立预喷油量为循环喷油量具体指标参数。具体分析出，预喷油量的递增，可靠扭矩也会趋于降低，可靠燃油消耗率也在趋于加大，然而在转速达到1000r/min的时候，其变化不是特别的明显。二氧化氮排放在随着喷油量递增的同时，也在出现明显的降低，然而在转速达到1000r/min的时候，其指标不会出现下降，反而出现上升的态势。具体来看，这是由于在循环喷油量没有变化的情况下，预喷油量出现递增，但是主喷油量会出现显著的降低，另外预喷射的燃烧过程基本上都出现在止点之前的，预喷燃油的燃烧在提升缸内压力以及温度的同时，同时也会使得压缩负功的递增，因此，预喷油量不断递增，可靠扭矩减低，燃油消耗率就会加大[3]。

　　3.结语

　　综上所述，本文通过模拟研究后发现，加大预喷油量可以有利于减少二氧化氮的排放量，然而预喷油量最好不能太大否则可能会影响发动机的性能。另外适度的加大喷油压力有利于提升发动机的性能以及经济性，同时减少Soot的排放量，然而二氧化氮的排放有不断递增的态势。当然这些因素并不是单独存在的，而是相互作用，相互配合影响着柴油发动机的不同性能，所以务必要强化他们之间的协同配合，提升高压共轨柴油机的总体性能。

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